mgr inż. Jarosław Czerwiński dr inż. Zygmunt Marciniak prof. nadzw. Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Modułowe konstrukcje jedno- i dwukabinowych lokomotyw elektrycznych i spalinowych W artykule zaprezentowano procesy związane z projektowaniem, budową, bada- niami i wdrożeniami do eksploatacji nowych oraz modernizowanych lokomotyw elektrycznych i spalinowych przeznaczonych do ruchu liniowego i prowadzenia prac manewrowych i przetokowych. Zaprezentowano w nim osiągnięcia krajów europejskich we wdrażaniu do ruchu platformy nowoczesnych lokomotyw liniowych oraz w modułowej modernizacji lokomotyw spalinowych najczęściej jednokabinowych wykorzystywanych w pra- cach manewrowych. Ponadto przedstawione zostały korzyści wynikające z wdroże- nia do produkcji i eksploatacji modułów, które mogą być wykorzystywane w wielu typach (seriach) lokomotyw, zarówno liniowych jak i manewrowych. Artykuł zawiera również rozwiązania modułowe zastosowane w lokomotywach liniowych oraz propozycje modułów do zastosowania w jednokabinowych lokomo- tywach spalinowych przeznaczonych do prac manewrowo – przetokowych rozwija- nych w kraju. Wyniki prowadzonych prac mogą przynieść znaczne oszczędności w procesach projektowo – wdrożeniowych lokomotyw modułowych oraz w obniżeniu kosztów eksploatacyjnych (przeglądy, naprawy, części zamienne, zapasy magazy- nowe, serwis). 1.Wstęp Projektowanie, badania i wdrożenie do eksploatacji – opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej loko- nowych oraz modernizowanych liniowych i manew- motywy (dla poszczególnych grup rysunkowych – rowych lokomotyw elektrycznych i spalinowych to mechanicznych i elektrycznych) dla wybranego przedsięwzięcie złożone, długotrwałe i kosztowne. wariantu wraz z przeprowadzeniem niezbędnych Cykl (proces) ten składa się przede wszystkim z wy- obliczeń wytrzymałościowych, dynamicznych, cieplnych i trakcyjnych konaniem następujących prac: – wykonanie prototypu (lub pierwszego egzempla- – opracowanie jednej lub kilku koncepcji lokomo- rza) nowej lub modernizowanej lokomotywy tywy najczęściej w oparciu o wymagania Użyt- – opracowanie dokumentacji technicznej, w tym: kownika Warunków Technicznych Wykonania, Warunków – opracowanie założeń konstrukcyjnych wybranego Technicznych Odbioru, Dokumentacji Technicz- wariantu lokomotywy wraz ze wstępnym usytu- no-Ruchowej obejmującej Opis techniczny, In- owaniem głównych zespołów i urządzeń strukcję obsługi (Podręcznik maszynisty), Doku- – przygotowanie wymagań i wytycznych na główne mentów wydzielonych zespołów i głównych urządzenia, zespoły i układy (często wymagania urządzeń, Katalogu części zamiennych, wykonuje się dla kilku wariantów różnych produ- Dokumentacji Systemu Utrzymania, Programu centów i dostawców urządzeń, zespołów i ukła- Prób i Badań oraz Programu Prób Eksploata- cyjnych dów) proponowanych do zastosowania w projek- – przeprowadzenie prób i badań stacjonarnych i towanej lokomotywie ruchowych lokomotywy wg Programu Prób i Ba- – opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej no- dań wych układów, zespołów proponowanych do za- – przygotowanie dokumentów (w tym opinii) dla stosowania w projektowanej lokomotywie uzyskania terminowego świadectwa (lub zezwo- – wykonanie nowych układów, urządzeń i zespołów lenia) dopuszczenia do eksploatacji typu pojazdu oraz przeprowadzenie dla nich niezbędnych te- kolejowego stów, prób i badań POJAZDY SZYNOWE NR 1/2014 1 – przeprowadzenie prób eksploatacyjnych dla Obniżkę kosztów jednostkowych związanych z wyko- pierwszej nowej lokomotywy (dla lokomotyw rzystaniem tej samej dokumentacji konstrukcyjnej i modernizowanych próby eksploatacyjne mogą technicznej, wyników prób i badań oraz kosztów być prowadzone dla kilku lub kilkunastu egzem- związanych z dopuszczeniem uzyskuje się również plarzy) wprowadzając do eksploatacji większą ilość nowych i – przygotowanie dokumentów (opinii) dla uzyska- zmodernizowanych lokomotyw tego samego typu (lub nia bezterminowego świadectwa (lub zezwolenia) serii). dopuszczenia do eksploatacji typu pojazdu kole- W wielu krajach dla obniżenia kosztów budowy zmo- jowego dernizowanych lokomotyw wykorzystywane są uni- – wdrożenie do produkcji nowych lub zmodernizo- wersalne moduły, które zabudowane są w kilku ty- wanych lokomotyw po wprowadzonych zmianach pach (seriach) lokomotyw liniowych i manewrowych. i uzupełnieniach w dokumentacji wynikających z W dalszej części artykułu zaprezentowano procesy realizacji wniosków z prób i badań (w tym rów- wdrożenia platformy lokomotyw i ich konstrukcji nież prób eksploatacyjnych) oraz nowych życzeń modułowych dla lokomotyw eksploatowanych za Użytkownika. granicą oraz w naszym kraju. Przedstawiony powyżej proces jest kosztowny i nale- żałoby dążyć do jego ograniczenia w projektowaniu, 2. Budowa modułowa lokomotyw liniowych i ma- badaniach i wdrożeniu do eksploatacji nowych i zmo- newrowych budowanych i eksploatowanych za dernizowanych lokomotyw. O ile w przypadku no- granicą wych lokomotyw jest zrozumiałe, że liczący się pro- Krajami przodującymi w budowie platformy lo- ducent zagraniczny i krajowy będzie dążył do wpro- komotyw liniowych i manewrowych są przede wadzenia na rynek usług kolejowych swoich nowo- wszystkim Niemcy, natomiast nasi południowi sąsie- czesnych wyrobów, o tyle realizując procesy moder- dzi wyspecjalizowali się w modernizacjach lokomo- nizacyjne zwłaszcza lokomotyw eksploatowanych w tyw spalinowych jednokabinowych, w których wyko- kraju można zdecydowanie obniżyć koszty procesu rzystano jednakowe moduły dla różnych serii lokomo- projektowania, badań i ich wdrażania do eksploatacji. tyw i o różnym przeznaczeniu. Dotyczy to w zasadzie wykonania jednej dokumenta- cji konstrukcyjnej i technicznej oraz przeprowadzenie 2.1 Platforma liniowych lokomotyw elektrycznych prób i badań dla jednego egzemplarza zmodernizowa- i spalinowych nej lokomotywy. Do tego jednak wymagane jest poro- Najwięcej różnych serii lokomotyw liniowych rozwi- zumienie głównych producentów (zajmujących się janych jako „platforma” wprowadziły do eksploatacji również procesami modernizacyjnymi) zwłaszcza firmy takie, jak Bombardier Transportation, Siemens z taboru trakcyjnego (lokomotyw i zespołów trakcyj- Krauss Maffei i Alstom [2, 8]. nych). Przykładem w przeszłości był proces moderni- W/w firmy prace konstrukcyjne, badawcze i wdroże- zacji lokomotywy spalinowej serii SP32 przeznaczo- niowe platformy o budowie modułowej liniowych nej do ruchu pasażerskiego. lokomotyw elektrycznych i spalinowych, przeznaczo- Na podstawie jednej dokumentacji konstrukcyjnej nych do rożnych prac (prowadzenie pociągów pasa- opracowanej na przełomie 1999 i 2000 roku przez żerskich i towarowych) rozpoczęły już w połowie lat Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” w Poznaniu i 80-tych dwudziestego wieku. wykonanego oraz przebadanego prototypu zmoderni- Firma Bombardier Transportation produkuje rodzinę zowanej lokomotywy przez Zakłady Naprawcze Lo- lokomotyw Traxx w wersjach elektrycznych, spali- komotyw Spalinowych w Pile produkcję zmoderni- nowych i hybrydowych przeznaczonych do prowa- zowanych lokomotyw uruchomiono również w Po- dzenia pociągów pasażerskich i towarowych. I tak np. znańskich Zakładach Naprawczych Taboru Kolejo- [2]: wego w Poznaniu oraz w Zakładach Naprawczych • Traxx AC jest lokomotywą elektryczną prądu 2 Taboru Kolejowego w Nowym Sączu. zmiennego na napięcie zasilania 15kV 16 /3Hz Dla realizacji całego przedsięwzięcia wszystkie trzy i 25kV 50Hz o mocy 5600kW firmy utworzyły (przed ogłoszonym przez Przedsię- • Traxx MS jest lokomotywą elektryczną wielo- biorstwo Państwowe PKP przetargiem) Konsorcjum systemową na napięcie zasilania 15kV i „LOKSMOD”. Ogółem (mimo początkowo planowanej 25kV AC oraz 1,5kV i 3kV DC o mocach modernizacji 100 lokomotyw) zmodernizowano tylko 5600kW, (a dla 1,5kV DC o mocy 4000kW) 10 lokomotyw z czego 4 w ZNLS Piła i po 3 w • Traxx DC jest lokomotywą elektryczną wielo- PZNTK Poznań i ZNTK Nowy Sącz [5,6]. systemową na napięcie 1,5kV i 3kV o mocach Należy również wspomnieć, że na Międzynarodo- 5600kV. Wszystkie lokomotywy elektryczne wych Targach w Poznaniu w 2001 r. zmodernizowana mogą być eksploatowane w zależności od spalinowa lokomotywa do ruchu pasażerskiego serii przeznaczenia z prędkościami 140, 160 i SP32 uzyskała złoty medal. 200km/h 2 POJAZDY SZYNOWE NR 1/2014 • Traxx DE jest lokomotywą spalinową o mocy 2200kW na prędkość 140 i 160km/h. Jednakowymi elementami, które charakteryzują ich modułowość są pudła, ostoja, kabiny sterownicze, wózki trakcyjne, silniki trakcyjne i układy napędowe, systemy hamowania, centralne moduły napędowe i zintegrowane szafy urządzeń pomocniczych. Również powtarzalność rozmieszczenia elementów wyposaże- nia bardzo istotnie wpływa na koszt ich produkcji. Identyczność zastosowanych urządzeń w lokomo- tywach elektrycznych i spalinowych najlepiej obra- zuje rys. 1. Rys.3. Lokomotywa elektryczna Traxx F 140 MS (seria 484) a) Wpółczynnik powtarzalności Rys.4. Lokomotywa spalinowa Traxx 140 DE (seria 285) Firma Alstom proponuje modułowe konstrukcje lo- komotyw elektrycznych typu Prima II.. W swojej ofercie przedstawia lokomotywy pasażerskie i uniwer- b) salne (Prima II-P) o układzie osi Bo – Bo na prąd zmienny 25kV 50Hz i 15kV 16 2/3Hz oraz na prąd stały na napięcie 3kV o mocy 6000kW i prędkości 200km/h oraz lokomotywy na prąd stały 1,5kV o mo- cy 4200kW i prędkości 200km/h. Do ruchu towarowego o identycznym zasilaniu firma Alstom produkuje również lokomotywy Prima II-F o mocach 6400/6000/4200kW na prędkości 140km/h. Wspólne rozwiązania stosowane w tych lokomoty- wach to przede wszystkim ostoje, pudła, kabiny ste- Rys.1. Powtarzalność